[发明专利]一种用于痕量气体柱浓度探测的对地观测激光雷达

说明书

一种用于痕量气体柱浓度探测的对地观测激光雷达，涉及激光大气遥感领域；包括第一激光器、第二激光器、接收望远镜、面阵探测器和数据处理反演模块；第二激光器与第一激光器夹角为θ；第一激光器和第二激光器发射的激光到达地面后，由地表漫反射的回波仍然沿原光路返回接收望远镜，聚焦至面阵探测器上的不同像元位置a和b；通过a和b探测信号的反演处理，即可根据两像元探测到的信号反演出目标地区上空的痕量气体柱浓度；本发明采用连续激光探测，实现有效降低激光器的重量、体积、功耗和成本，同时实现了用于多种大气成分的机载或星载柱浓度观测。

技术领域

本发明涉及一种激光大气遥感领域，特别是一种用于痕量气体柱浓度探测的对地观测激光雷达。

背景技术

当前对于大气痕量气体的主动探测主要基于拉曼散射和差分吸收原理。其中，与本项目有关的主要是差分吸收激光雷达技术。

当前用于对地痕量气体柱浓度探测的激光雷达主要为IPDA体制的脉冲激光雷达。此类激光雷达通常采用双脉冲发射，两个脉冲之间相差几百微秒的时间。其中一个激光脉冲的工作波长在目标气体分子吸收光谱范围内，设为λ_on。另一个激光脉冲的工作波长在目标气体分子吸收光谱范围外，设为λ_off，且与λ_on位置极近。

激光雷达工作时，双脉冲先后到达地面，并被地表漫反射产生回波，漫反射回波先后到达接收光电系统进行信号的探测。此时，激光雷达得到的两脉冲从地表反射的回波分别为：

以上两式中，P为回波信号，C为系统标定常数，H为卫星轨道高度，T₀为与目标气体分子吸收无关的大气透过率，N为痕量气体分子柱浓度，σ为分子吸收系数。

由(1)除以(2)式并转换可得

由(3)式即可得到脉冲激光雷达测量的气体分子柱浓度N。

目前上述技术存在以下问题：

1、使用脉冲调Q技术，存在30％以上的调Q损耗；

2、大脉冲能量需要较大的谐振腔尺寸，结构规模和重量较大；

3、峰值功率高，元件易损伤；

4、必须使用激光晶体经过光-光转换实现大峰值功率，电光转换效率低，载荷功耗大；

5、波长稳定性控制技术难度和成本较高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种用于痕量气体柱浓度探测的对地观测激光雷达，采用连续激光探测，实现有效降低激光器的重量、体积、功耗和成本，同时实现了用于多种大气成分的机载或星载柱浓度观测。

本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：

一种用于痕量气体柱浓度探测的对地观测激光雷达，包括第一激光器、第二激光器、接收望远镜、面阵探测器和数据处理反演模块；

第一激光器：向地面发射波长为λ_off的连续激光波束，波长为λ_off的连续激光波束到达地面时，在地面形成λ_off连续激光波束光斑；λ_off连续激光波束光斑经地面漫反射后，生成λ_off漫反射回波光信号，穿过大气层返回至接收望远镜；